Международная группа ученых разработала гибкий электрод, который наматывается на мышцы, нервы и сердце и обеспечивает электрическую стимуляцию тканей или запись электрической активности. Электрод, вдохновленный паучьим шелком, сжимается, приспосабливаясь к биологическим тканям, нетоксичен и работает лучше, чем обычные растягивающиеся электроды.
Нововведение может открыть двери для биомедицинских устройств для мониторинга нерегулярного сердцебиения, восстановления нервов, закрытия ран и уменьшения рубцов.
Исследование было опубликовано в журнале Nature в декабре и проведено профессором Чэнь Сяодун из Школы материаловедения и инженерии НТУ; профессор Гао Хуацзянь из Школы машиностроения и аэрокосмической техники НТУ; профессор Лю Чжиюань из Китайской академии наук; и профессор Ху Бэньхуэй из Нанкинского медицинского университета.
Учимся заключать контракты с природой
Электрод изготовлен из гибкого материала , который сжимается при намокании и надежно прилегает к тканям и органам.
Черпая вдохновение из структуры паучьего шелка , которая позволяет ему сжиматься во влажном состоянии, ученые создали материал, смешав соединение, называемое полукристаллическим поли( этиленоксидом ) (ПЭО), с другим соединением, комплексом включения поли( этиленгликоль )-α-циклодекстрин. IC). IC соединяет полукристаллические структуры ПЭО и удерживает их вместе.
Затем материал неоднократно растягивали, образуя тонкую пленку. Растяжение приводит к образованию мостиков и пор полукристаллического ПЭО. В то же время полукристаллический ПЭО переформируется в кристаллы, стабилизируя материал в растянутом состоянии, когда пленка высыхает.
Демонстрация того, как пленка быстро сжимается при контакте с водой и обертывает ткань. Фото: НТУ Сингапура.
Когда сухая пленка вступает в контакт с водой, вода разрушает и растворяет структуры ПЭО, заставляя их мгновенно сжиматься и беспрепятственно облегать ткани и органы, как термоусадочная пленка.
Эксперименты с использованием клеточных культур показали, что материал не токсичен для клеток.
Демонстрация возможностей электрода
Чтобы создать гибкий электрод, исследователи нанесли электропроводящее золото на сухую и жесткую пленку перед ее смачиванием.
В экспериментах на крысах команда продемонстрировала, что электрод, созданный с использованием пленки, может эффективно доставлять электрические импульсы к нервам. Электрод также может регистрировать электрические сигналы от мышц, нервов и сердца с более высокой чувствительностью, чем обычные растягивающиеся золотые электроды, благодаря уплотнению между электродом и тканью.
Кристаллические структуры ПЭО в материале разрушаются при контакте с водой, в результате чего пленка становится мягкой и сжимается. Фото: НТУ Сингапура.
Ученые также показали, что электрод может обнаруживать электрическую активность при стимуляции мышечного трансплантата нервом — процедура, обычно используемая для управления протезами конечностей или лечения фантомных болей после ампутации конечностей.
«Наш водоотталкивающий материал может сыграть важную роль в формировании следующего поколения биомедицинских приложений на стыке между электроникой и человеческим телом », — сказал доктор И Цзюньци, научный сотрудник Школы материаловедения и инженерии НТУ и Института исследований НТУ. Digital Molecular Analytics and Science и первый автор исследования.
Ученые продемонстрировали, что электрод можно обернуть вокруг сердца крысы для обнаружения электрических сигналов, возникающих в результате аномального сердечного ритма, без изменения его размера или формы.
Чтобы установить электрод вокруг сердца, его сначала вводят в грудную клетку через небольшой разрез под контролем камеры. Затем электрод разворачивается и окружает сердце, что упрощает установку. Когда электрод вступает в контакт с водой в грудной полости, он сжимается и обертывается вокруг сердца.
По мнению исследователей, электрод можно устанавливать временно или постоянно, в зависимости от его применения. Например, электрод можно легко снять, когда он больше не нужен. Устройство можно оставить на месте, если необходим долгосрочный мониторинг или электростимуляция .
Демонстрация на курином сердце того, как пленка сжимается при контакте с водой. Фото: НТУ Сингапура.
«Будучи минимально инвазивными, наша инновация может сделать процедуры имплантации устройств более безопасными и простыми», — сказал профессор Чен.
«Мы полагаем, что такие материалы, которые быстро сжимаются по требованию, откроют путь биомедицинским применениям будущего», — сказал профессор Гао Хуацзянь.
«Благодаря способности измерять тонкую и точную активность живых тканей гибкий электрод открывает двери для больших возможностей для выяснения механизмов заболеваний головного мозга, а также для лечения нейродегенеративных заболеваний , которые трудно преодолеть», — сказал профессор Цуёси Секитани. эксперт по гибким электронным устройствам из Института научных и промышленных исследований Университета Осаки, который не участвовал в исследовании.
В настоящее время ученые работают над повышением долгосрочной стабильности электрода и оптимизацией его производительности. В будущем планируют провести клинические испытания, чтобы убедиться в безопасном использовании электрода .
